Детектор заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК G01T1/38 H01J49/44 

Изобретение относится к техник ; эксперимента физики элементарных частиц и атомного ядра, в частности к устройствам детектирования и идентификации заряженных частиц и спектрометрии ионизирующих излучений высоких энергий. Оно может найти применение при решении широкого круга задач как в физике космических лучей, так и при постановке экспериментов на ускорителях высоких энергий, для определения Лоренц-фактора Jf ультрарелятивистских заряженных частиц с )С 5 10 и координат детектируемых частиц в широком диапазоне их энергий. Известны устройства для определения Лоренц-фактора ультрарелятивистских заряженных частиц, состоя1 Ц1:е из радиаторов переходного излучения и его регистраторов lj . В таких устройствах о величине Лоренц-фактора частиц судят по интенсивности фотонов переходного излучения, регистрируемых известными счетчиками. Однако детекторы переходного излучения не позволяют определять координат регистрируемых частиц, а при Y порядка 10 - 10 использование их весьма затрудняется, так как сильно возрастают зоны формирования излучения в вакууме и в веществе 2 . Это приводит к тому, что общая толщина пластин радиатора приближается к радиацион ной единице длины, не говоря о том, ЧТО увеличивается число вакуу ных отсеков установки и, как следствие, усложняется ее конструкция Наиболее близким к заявляемому является детектор заряженных части содержащий рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивакицую отсутствие эффекта плотности в ней и регистра тор вторичных излучений З . Известное устройство позволяет определять Лоренц-фактор ультра-релятивистских заряженных частиц при у 5 10 основано на отсутствии эффекта плотности в тонких средах Оно представляет собой цакуумную камеру с входньм для детектируемых частиц окном, в которой расположена тонкая сцинтиллирующая мишень, оптически связанная с находящимся вне камеры фотоумножителем. В так 22 устройстве для определения f используют тот факт, что при толщинах пластического сцинтиллятора меньше 10 см имеет место логарифмический рост потерь энергии в зависимости от Y регистрируемой частицы. Ис ел еду б:мую частицу пропускают через сцинтилляционную мишень, толщина которой обеспечивает от- сутствие эффекта плотности, и измеряют фотоумножителем интенсивность излучения среды, зависящую от энергетических потерь на столкновения. Однако потери энергии в столь тонкой пленке по абсолютной вели.чине очень малы, что обуславливает низкую эффективность регистрации частиц. Так минимально ионизирующий релятивистский электрон с энергией «0,7 мэВ, проходя через такую пленку, образует в ней 0,3 электрона. В связи с этим описываемьй детектор не получил практического применения. Кроме того, и в нем, как и в описанных аналогах, не представляется возможным измерение координат частицы. Цель изобретения - определение координат регистрируемых частиц, а также повьш1ение эффективности регистрации при детектировании ультрарелятивистских заряженных частиц с одновременным определением их Лоренц-фактора в области его значений Ю. Поставленная цель достигается тем, что в детекторе заряженных частиц, содержащем рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотностей в ней, и регисфратор вторичных излучений, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположен- ным перпендикулярно оси фокусируюпщх систем,а рабочая среда представляет собой пористый эмиссионньй слой, выполненный из негигроско-пичного диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора и помещена между двумя электродами с высоким коэффициентом прозрачности, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционно-чувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц

а также тем, что позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичньк излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоплением заряда, а регистратор состои из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного электронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки.

Цель реализуется за счет совместного применения негигроскопичнь пористых диэлектрических слоев (например, окиси магния или криолита) , помещенных в сильное электростатическое поле (10 - 10 В/см) с толщиной обеспечивающей отсутствие эффекта плотности в ней (10 см при плотности слоя 0,7 - 2% относительно его нормальной плотности), и позиционно чувствительного элемента с накоплением заряда, на который осуществляется параллельный электронный перенос области ионизации слоя, с последующим сканированием его поверхности узкоаппертурным электронным лучом. Принцип работы предлагаемого устройства основан на том, что при прохождении ионизирующей частицы через рабочую среду, толщина которой обеспечивает отсутствие эффекта плотности в ней, радиус области ионизации частицы линейно зависит от ее Лоренфактора: X с

иГ У . .

b -

где b - ионизационньй радиус поля заряда час.тицы, ( скорость света; Лоренц-фактор детектируеУмой частицы;

ы средняя атомная частота.

Причем при у порядка 10, Ь становится порядка сантиметра. Поритые диэлектрические слой толщиной 100 мкм и плотностью 0,7-2Z относительно нормальной плотности, содержащие 10 г/см вещества на пути частицы удовлетворяют условию отсутствия в них эффекта плотности, а помещение их в сильное электростатическое поле ( А, ю 10 В/см) позволяет увеличить число эмиссионных электронов ( л в 100 ра приходящихся на одну прошедшую через такой слой релятивистскую части

цу за счет уменьшения поглощения электронов первичной ионизации и ускорения и размножения их в порах диэлектрика. Временные отметчики на основе таких слоев регистри руют факт прохождения релятивистских минимально ионизирующих частиц с достаточно высокой эффективностью (65%). Однако пористые диэлектрические слои на основе таких веществ как, например, КС1 или KBi в силу их гигроскопичности сильно ухудшают свои эмиссионные свойства со временем, что обуславливает

технические трудности, возникающие при их использовании, в то время как слои из негигроскопичных веществ (МаО, криолит) таких трудностей не вызывают. Таким образом,

детектируемая частица, проходя через указанный слой, вызывает вторичную, усиленную полем, электронную эмиссию слоя из области, радиус которой линейно зависит от

Лоренц-фактора частицы, и остается лишь, не допустив размытия такого изображения (с минимальными абберациями), определить его радиус и центр..По значению первого

можно судить о величине Лоренц-фактора частицы, а второй соответствует ее координате.

На чертеже показан предлагаемый детектор в разрезе.

Детектор состоит из стеклянного вакуумированного баллона 1, внутренняя торцовая поверхность 2 которого покрыта тонкой алюминиевой подложкой 3 с нанесенным на нее рыхлым негигроскопичным диэлектрическим слоем 4 (например, МоО или криолита) толщиной в 100 мкм и плотностью относительно нормальной 0,7 - 2%. На расстоянии 400 мкм от поверхности слоя вдоль оси детектора расположена мелкоструктурная сетка 5 с высоким коэффициентом прозрачности (А/90%), за которой на расстоянии 50 мкм находится мишень 6, представляющая собой пол у проводящую стеклян. ную пленку толщиной 5 мкм. Между слоем 4 и сеткой 5 расположен фокусирующий цилиндрический электрод 7, а по другую сторону от мишени

6-тормозящий электрод 8, имеющий также цилиндрическую форму. На противоположном конце баллона 1 расположен электронный прожектор.

состоящий из катода 9 модулятора 10 и трех цилиндрических анодов 11, 12 и 13 соответственно (первый, второй и третий аноды), расположенных вдоль оси детектора, причем первый анод 11, одновременно является и аппертурой прожектора и первым динодом вторично-элдектронного умножителя 14, расположенного вокру прожектора. Выходной сигнал детектора снимается с коллектора 15 умножителя 14. Вне баллона 1 на одной оси с ним расположены катушки 16, 17 и 18 соответственно. Катушка 16 создает в объеме детектора однородное магнитное поле, обеспечивающее совместно с ускоряющим электростатическим полем, образованным электродом 7, фокусировку электроннго изображения слоя 4 на мишень 6, Кроме того, поле этой катушки 16 совместно с полем третьего анода 13 прожектора обеспечивает фокусировку считывающего электронного пучка 19. Последний отклоняется по закону, например, телевизионной развертки, двумя парами отклоняющих катушек 17. Пара корректирующих катушек 18 создает поперечное магниное поле, предназначенное для корректирования траектории считывающего пучка 19 при движении его в продольном фокусирующем магнитном поле, образованном катушкой 16. Это необходимо для обеспечения нормгшь;ного падения считывающего пучка 19 на мишень 6 при любом его положении Распределение потенциалов на электродах детектора определяет режим его работы и примерно сводится к следующему: аллюминиевая подложка 3 и фокусирующий электрод 7 находятся под потенциалом -2500В, а мелкоструктурная сетка 5 под потенциалом +(1 - 2) В. Такая разност потенциалов необходима для создания в рыхлом диэлектрическом слое 4 напряженности поля порядка 10 10 В/см, которой соответствует коэффициент вторичной электронной эмиссии для электронов с энергией 0,7 мэВ Л100, с одной стороны, и для уменьшения углового разброса эмиссионных электронов при их движении от слоя 4 к сетке 5 - с друго Собственно мишень 6 и катод 9 находятся под потенциалом нуля В. Потециалы первого и второго анодов 11 и

12 соответственно равны и составляют примерно +200 В. Третий анод 13 прожектора находится под потенциалом порядка (20 - 25)В.

Детектор работает следующим образом.

После подачи питающих напряжений при прохождении ультрарелятивистской заряженной частицы через пористый диэлектрический слой 4 в последнем возникает область ионизации с радиусом, линейно зависящим от Лоренц-фактора частицы. Возникающие в пределах этой зоны электроны первичной ионизации, ускоряясь в поле пор слоя 4, размножаются и выходят в промежуток, слой 4 - сетка 5, в котором благодаря, наличию высокой ускоряющей разности потенциалов поля фокусирующего электрода 7 и однородного магнитного поля, создаваемого катушкой 16, осуществляется параллельный перенос электронного изображения этой зоны на мишень 6 с одновременным осевым ускорением эмиссионных электронов. Ударяясь с большими скоростями о стеклянную мишень 6, электроны выбивают с ее поверхности вторичные электроны, которые отсасываются сеткой 5, благодаря тому что она находится под более высоким потенциалом, чем мишень 6. В результате ухода вторичных электронов участок поверхности мишени 6, на который попали эмиссионные электроны, вьш1едшие из слоя 4, заряжается положительно. Таким образом, на поверхности мишени 6 со стороны слоя 4 образуется потенциальньй рельеф, со ответствуюш;ий области ионизации в слое 4. Считывание записанного таким образом потенциального рельефа производится одновременно с записью путем развертки обратной поверх-, ности мишени 6 считывающим пучком электронов. Толщина мишени 6, ее поперечное сопротивление и емкость между ее поверхностями выбираются так, чтобы потенциальный рельеф, возникающий на ней во время записи, передавался на ее противоположную поверхность без потерь. Эта передача осуществляется при коммутации обратной стороны мишени 6 развертьшающим лучом. Медленные электроны осуществляющие развертку мишени 6, возникают следующим образом. Электроны, выходящие из катода 9 элек

1. ДЕТЕКТОР ЗАРЯЖЕННЫХ 1АСТИЦ, содержащий рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотности в ней, и регистратор вторичных излучений, отличающийся тем, что, с целью определения координат регистрируемых частиц, а также повышения эффективности регистрации при детектировании ультрарелятивистских частиц с одновременным определением их Лоренц-фактора в области его значений у Ю, он содержит расположенные концентрично друг относительно друга магнитную и аксиально-симметричную электроннофокусирующие системы, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположенным перпендикулярно оси фокусирующих систем, а рабочая среда представляет собой пористьй эмиссионный слой, выполненный из негигроскопического диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора, и помещена между двумя электродами, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционночувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц. 2. Детектор по п. 1, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичных излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоплением заряда, а регистратор состоит из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного эпек тронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки.